[논문 리뷰] Phase matched backward-wave second harmonic generation in a hyperbolic carbon nanoforest

A. K. Popov, Igor S. Nefedov외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 08.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 탄소 나노튜브 기반의 초평면 메타물질을 설계하여, 음의 및 양의 군속도 분산를 조절함으로써 THz 및 중적외선 영역에서 위상 일치된 후행파 제2차 고조파 발진(Second Harmonic Generation, SHG)을 가능하게 한다. 이 방법은 금속 기반에 공간적으로 분산된 탄소 나노튜브를 사용하여 상반된 방향으로 진행되는 일반파와 후행파를 동시에 공존시키고 위상 일치를 달성하며, 펄스 영역에서 최대 10%의 양자 비선형 반사율을 달성한다. 이는 뛰어난 주파수 변환 효율을 지닌 새로운 유형의 메타반사판을 실현한다.

ABSTRACT

We show that deliberately engineered spatially dispersive metamaterial slab can enable co-existence and phase matching of contra-propagating ordinary fundamental and backward second harmonic electromagnetic modes. Energy flux and phase velocity are contra-directed in backward waves which determines extraordinary nonlinear-optical propagation processes. Frequencies, phase and group velocities, as well as nanowavequide losses inherent to the electromagnetic modes supported by the metamaterial can be tailored to optimize nonlinear-optical conversion of frequencies and propagation directions of the coupled waves. Such a possibility, which is of paramount importance for nonlinear photonics, is proved with numerical model of the hyperbolic metamaterial made of carbon nanotubes standing on metal surface. Extraordinary properties of backward-wave second harmonic in the THz and IR propagating in the reflection direction are investigated with focus on pulsed regime.

연구 동기 및 목표

• 상반된 방향으로 진행하는 일반파와 후행 전자기파의 공존과 위상 일치를 가능하게 하는 메타물질을 개발한다.
• 후행파 모드에서 제2차 고조파 발진(SHG)을 통해 효율적인 비선형 주파수 변환을 실현한다.
• 후행파의 방향성 에너지 흐름을 활용하여 플라스모닉 메타물질의 손실 문제를 해결한다.
• 조절된 분산을 통해 소형화된 주파수 두배화 메타반사판을 구현하고, 효율을 향상시킨다.
• 음의 투자율이 아닌 공학적 분산에 기반한 전통적인 음의 인덕도 메타물질의 비자성 대체재를 제공한다.

제안 방법

• 금속 기반에 수직으로 정렬된 탄소 나노튜브로 구성된 초평면 메타물질의 수치 모델링.
• 군속도 분산 및 손실을 고려한 연립 편미분 방정식으로 제어되는 평면 진행파의 단순화된 모델 사용.
• 공존하는 음의 및 양의 분산 브랜치를 생성하기 위해 공간적으로 분산된 영역 반응을 설계.
• 기본파 및 제2차 고조파 간의 위상 일치 조건을 만족하는 펄스 SHG 시뮬레이션.
• 후행파에서 에너지 흐름과 위상 속도의 대비를 분석하여 상반된 진행 방향을 확인.
• 금속성 탄소 나노튜브 및 웨이브가이드 모드로 인한 손실 메커니즘을 조사하고, 기본파 및 고조파에 미치는 영향을 비교 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 메타물질이 일반파와 후행파의 위상 일치된 공존을 지원할 수 있는가?
• RQ2 손실이 크고 공간적으로 분산된 메타물질에서 후행파 SHG를 효율적으로 달성할 수 있는가?
• RQ3 펄스 영역에서 후행파 SHG의 에너지 변환 효율에 두께나 시간적 조건이 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 조절된 분산이 음의 자기 투자율에 의존하지 않고 위상 일치를 가능하게 하는 데서 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ5 이러한 시스템은 반사율과 방향성 측면에서 기존의 일반 물질에서의 SHG를 능가할 수 있는가?

주요 결과

• THz 및 중적외선 영역에서 탄소 나노튜브 기반의 초평면 메타물질에서 위상 일치된 후행파 제2차 고조파 발진이 달성되었다.
• 최적 조건에서 양자 비선형 반사율이 약 10%에 도달하였으며, 이는 전력 반사율이 두 배로 증가한 결과이다.
• 메타슬래브 두께가 증가함에 따라 에너지 변환 효율이 포화되는 현상이 관찰되었는데, 이는 제2차 고조파가 후행파로 전파되어 기본파가 가장 적게 흡수되는 앞부분 영역에서 주로 생성되기 때문이다.
• 이 시스템은 두께에 따라 효율이 포화되는 고유한 행동을 보이며, 일반 물질에서의 전통적 SHG와는 뚜렷이 대비된다. 일반 물질에서는 최대 출력이 내부에서 발생하지만, 본 시스템은 표면에서 최적화된다.
• 손실은 기본파와 고조파 간에 비대칭적으로 분포되며, 고조파는 후행파의 전파 경로로 인해 효과적인 손실이 낮아진다.
• 제안된 방법은 뛰어난 성능을 지닌 소형 주파수 두배화 메타반사판을 실현하며, 펄스 영역에서 비견할 데 없는 성능을 제공한다.